Der Aufbau eines erfolgreichen Linearbewegungssystems beginnt mit der Auswahl des passenden Aktuators. Angesichts der unterschiedlichen Größen, Technologien und Qualitäten stehen Hunderte von Optionen zur Verfügung. Die Herausforderung besteht darin, denjenigen Aktuator zu finden, der die besten Ergebnisse liefert. Glücklicherweise ist dies nicht so schwierig, wie es klingt. Die Anforderungen der Anwendung reduzieren die Anzahl möglicher Aktuatorlösungen, und die Projektbeschränkungen bestimmen die optimale Lösung.

Der Prozess beginnt mit der Berücksichtigung der hier aufgeführten Schlüsselfaktoren.

Geschwindigkeit

Die Drehzahl ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Aktuators. Schraubenantriebe sind zwar effektive und wirtschaftliche Bauteile, doch bei sehr hohen Drehzahlen tritt das sogenannte Schraubenschwingen auf, bei dem sich die Schraube während der Drehung nach außen biegt. Schraubenschwingen verursacht Vibrationen und vorzeitigen Verschleiß.

Die Schwelle für das Schraubenschwingen, die sogenannte kritische Drehzahl, hängt von den Abmessungen und dem Material der Schraube ab. Die kritische Drehzahl lässt sich analytisch mithilfe bekannter Gleichungen berechnen. Ist die Drehzahl für den Einsatz eines Schraubenantriebs zu hoch, empfiehlt sich der Einsatz eines Linearmotors oder eines Riemenantriebs.

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Es ist unerlässlich, dass der Aktor entsprechend der Last dimensioniert ist. Bei der Dimensionierung der Tragfähigkeit sind mehrere Faktoren zu berücksichtigen: die radiale Tragfähigkeit der Führungslager, die Momententragfähigkeit des Tragwagens sowie die axiale Tragfähigkeit der Stützlager und der Kugelumlaufspindel. Es ist wichtig, einen Aktor zu wählen, der für die in der Anwendung auftretenden Lasten ausgelegt ist.

Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass nur die Tragfähigkeit zählt. Zwar ermöglicht die Tragfähigkeit die Berechnung der Lebensdauer eines Aktuators unter einer gegebenen Last, jedoch müssen weitere Faktoren berücksichtigt werden, wie beispielsweise die Steifigkeit des Aktuators in verschiedenen Lastrichtungen. Das Entwicklungsteam kann Last-Verformungs-Berechnungen durchführen, um festzustellen, ob der Aktuator in der Anwendung erfolgreich eingesetzt werden kann.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Position der Last. Eine Masse, die auf einem entlang der Achse des Aktuators laufenden Schlitten ruht, erzeugt ganz andere Kräfte als eine freitragende Last, die ein Kippmoment bewirkt. Achten Sie darauf, dass der Aktuator korrekt dimensioniert und abgestützt ist.

Bei vertikalen Anwendungen ist besondere Sorgfalt geboten, um die Position der Last zu erhalten. Unter bestimmten Konstruktionsbedingungen sind Gewindespindeln selbsthemmend. Das bedeutet, dass sie sich auch bei einem Motorausfall nicht rückwärts drehen können. Damit eine Gewindespindel selbsthemmend ist, muss ihr Wirkungsgrad unter 50 % liegen. Der Wirkungsgrad hängt vom Steigungswinkel und dem Reibungskoeffizienten zwischen Mutter und Spindel ab. Alternativ können auch Zahnstangenantriebe eingesetzt werden.

Riemen haben sich in den letzten Jahren deutlich verbessert. Sie sind robust und technisch ausgereift, sodass sie nicht mehr wie früher regelmäßig nachgespannt werden müssen. Riemenantriebe eignen sich gut, wenn die Anforderungen an Drehzahl und Hub die Möglichkeiten von Kugelgewindetrieben oder Leitspindeln übersteigen. Bei vertikalen Anwendungen ist besondere Vorsicht geboten. Es wird empfohlen, gegebenenfalls ein Gegengewicht oder eine Bremse einzusetzen, um die Last zu verlangsamen, anzuhalten und abzustützen.

Hublänge

Der nächste zu berücksichtigende Faktor ist die Hublänge. Schraubenantriebe sind effektiv und können in manchen Fällen für Hübe bis zu 1,5 m oder mehr eingesetzt werden. Bei sehr langen Hüben von Schraubenantrieben ist darauf zu achten, die kritische Drehzahl nicht zu überschreiten. Für große Hublängen sind Riemenantriebe die bessere Wahl. Moderne Riemen bestehen aus hochentwickelten Materialien und sind wartungsarm. Sie können über Distanzen bis zu 15 m eingesetzt werden.

Eine weitere Option für lange Hübe ist der Linearmotor. Linearmotoren sind im Prinzip abgewickelte Servomotoren und bestehen aus einer Kraft, die sich entlang einer festen Magnetbahn bewegt. Theoretisch kann die Bahn beliebig lang sein. In der Praxis sind Linearmotoren jedoch durch die Notwendigkeit einer ebenen und präzise ausgerichteten Magnetbahn sowie durch die Kosten der Magnete eingeschränkt. Auch die Kabelführung bei sehr langen Verfahrwegen kann eine Herausforderung darstellen.

Wiederholbarkeit

Jede Anwendung stellt Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit. Die richtige Wahl des Aktuators ermöglicht ein System, das diese Anforderungen nicht nur erfüllt, sondern auch dazu beiträgt, die Projektziele hinsichtlich Budget und Montagezeit einzuhalten. Schraubenantriebe erreichen eine Wiederholgenauigkeit von ±0,0001 bis ±0,003 Zoll. Zum Vergleich: Riemenantriebe weisen eine Wiederholgenauigkeit von ±0,002 bis ±0,010 Zoll auf.

Die optimale Wahl hängt von den Anwendungsanforderungen ab. Riemenantriebe sind zwar nicht so leistungsstark wie Spindelantriebe, bieten aber bei Anwendungen mit weniger strengen Toleranzen erhebliche Einsparungen. Für anspruchsvollere Anwendungen ermöglichen Linearmotorantriebe eine Wiederholgenauigkeit im Submikrometerbereich.

Tastverhältnis

Die Betriebsdauer hat einen großen Einfluss auf die Lebensdauer von Geräten. Daher ist es wichtig, einen Linearantrieb zu wählen, der die Anwendungsanforderungen erfüllt. Gewindespindeln basieren beispielsweise auf Gleitkontakt – typischerweise aus Edelstahl oder Kunststoff (je nach Anwendung stehen viele Materialien zur Auswahl). Dies führt zu erheblichem Verschleiß im Laufe der Lebensdauer des Geräts. Aus diesem Grund sollten Gewindespindeln bei Anwendungen mit hoher Belastung und hoher Betriebsdauer vermieden werden.

Entscheiden Sie sich stattdessen für einen Kugelumlaufspindelantrieb. Diese Geräte arbeiten mit Rollreibung statt Gleitreibung, wodurch sie eine längere Lebensdauer aufweisen und ihre Lebensdauer besser vorhersehbar ist.Kugeln können jedoch beschädigt werden, insbesondere bei hohen Belastungen. Für Anwendungen, die keinen Ausfall tolerieren, empfiehlt sich eine Planetenrollenspindel. Diese Spindeln verteilen das Gewicht und minimieren so den Verschleiß. Dadurch eignen sie sich unter anderem gut für Anwendungen im Militär- und Luftfahrtbereich. Für kostengünstige Anwendungen kann auch ein Riemenantrieb infrage kommen.

Umfeld

Die Betriebsumgebung einer Anwendung beeinflusst auch die Wahl des Aktuators. In Reinräumen sollten Spindelantriebe vermieden werden. Der Metall-Kunststoff-Kontakt erzeugt Partikel, die die Reinraumklasse beeinträchtigen.

Umgekehrt können extrem verschmutzte Umgebungen die Aktuatoren beschädigen. Bei Stangenaktuatoren ist die Spindel im Gehäuse abgedichtet. Daher sind Stangenaktuatoren in Umgebungen mit Verunreinigungen und Flüssigkeiten relativ sicher. Bei stangenlosen Aktuatoren ruht die Last auf einem Schlitten, der mit der Spindel verbunden sein muss, wodurch der Aktuator Verunreinigungen ausgesetzt sein kann..

Daher erfordern stangenlose Aktuatoren besondere Vorkehrungen, unabhängig davon, ob die Basistechnologie ein Schraubenaktuator oder ein Linearmotor ist. Achten Sie auf Komponenten mit IP-Schutzart. Erwägen Sie, den Schlitz nach unten zu montieren, um das Eindringen von Fremdkörpern zu minimieren. Beachten Sie, dass Schmiermittel Partikel einschließen und festhalten können, was mit der Zeit zu Oberflächenschäden führen kann.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist der verfügbare Platz. Selbst der beste Aktor ist nutzlos, wenn er nicht in den vorgesehenen Bauraum passt. Legen Sie die Aktoren daher frühzeitig in der Entwurfsphase fest, um ausreichend Platz zu gewährleisten. Arbeiten Sie eng mit Ihrem Lieferanten zusammen, um alle Faktoren zu nutzen, die die benötigten Eigenschaften in einer kompakten Bauform ermöglichen.

Budget

Es ist wichtig, die Preisziele stets im Auge zu behalten. Linearmotoren sind am teuersten, gefolgt von Spindelantrieben (Planetenspindel, Kugelgewindetrieb und Leitspindel). Riemenantriebe sind am wirtschaftlichsten.

Im Ingenieurwesen sind Kompromisse immer notwendig. Die obige Liste dient als erste Orientierungshilfe bei der Aktuatorauswahl. Je nach Anwendung können spezielle Anforderungen beispielsweise bedeuten, dass das Budget wichtiger ist als die Leistung oder dass der Arbeitszyklus wichtiger ist als die Geschwindigkeit. Beginnen Sie die Spezifikation des Aktuators so früh wie möglich in der Entwurfsphase. Verwenden Sie nach Möglichkeit Standardkomponenten. Sollte keine davon Ihren Anforderungen entsprechen, sprechen Sie mit Ihrem Lieferanten über die Entwicklung eines kundenspezifischen Produkts.